(57)【要約】【課題】  測定対象への接続作業性がよく、小型化できる電圧測定装置を提供する。【解決手段】  燃料電池積層体８の積層面と垂直な側面に、電圧測定装置１が押圧されて取り付けられる。電圧測定装置１は、絶縁基板２の上に線状の配線として形成された導電性部材３と、導電性部材３の配線の先端部を除いて配線を被覆する絶縁部材４と、導電性部材３の先端部に配設された導電性弾性部材５と、導電性部材３の先端部とは反対側の端部に接続された外部配線６を備えている。【選択図】  図２
2006004737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基板上に導電性の材料を用いて配線を形成し、前記配線の先端部を除いて非導電性物質を用いて前記配線を被覆し、前記配線の先端部に導電性弾性部材を配設して、該導電性弾性部材と測定対象とを電気的に接続可能であることを特徴とする電圧測定装置。
【請求項２】
前記配線及び前記導電性弾性部材が複数並列して前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電圧測定装置。
【請求項３】
前記基板上の配線が蛇行してなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電圧測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電圧測定装置を備え、
該電圧測定装置の前記導電性弾性部材の各々が燃料電池スタックの電圧測定個所に押圧されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの前記電圧測定装置に対向する側面は、前記電圧測定装置の導電性弾性部材が対向する付近を除いて、絶縁部材により被覆されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に好適な電圧測定装置及びこれを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の基本単位である単位電池（セル）は、高分子電解質膜の両面にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を形成した膜電極接合体を、ガス供給溝を有するセパレータによって挟持することにより構成されている。通常、セルの発電電圧は１〔Ｖ〕程度と低いので、固体高分子型燃料電池は、前記セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
燃料電池は各セル、または複数のセル毎に電圧を測定し、燃料電池が正常に作動しているか確認するとともに、電圧に応じて燃料ガスや酸化剤ガスの流量の調整を行う。このような燃料電池の電圧測定装置は、測定用端子をセパレータに設けられた孔やくぼみ等にはめ込み、電圧を測定している。
【０００５】
燃料電池のセル電圧測定用の端子構造としては、燃料電池スタックの積層方向と並行に複数の接触端子を備えた電圧測定装置が開示されている（特許文献１）。
【０００６】
この燃料電池用の電圧測定装置は、燃料電池スタックのセル間隔と同じピッチで歯を有する櫛歯状の支持プレートと、この支持プレートの各歯にそれぞれＬ字状の端子ピンを設けている。そして、燃料電池スタックの各セル毎にセパレータの端面に端子係合用の穴を設け、この穴に各端子ピンの先端部を係合させて、セルと端子との接続を確保している。
【特許文献１】特開２００２−１２４２８５号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら上記従来の燃料電池用電圧測定装置は、測定用端子をセパレータに設けられた穴やくぼみ等に填め込むことにより電気的接続を確保していたため、各セパレータに端子ピンをはめ込むため作業性が悪く、また端子ピンからの配線用の電線を取り回すために燃料電池を納めるケース内に余分なスペースを設けなければならないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するために、絶縁性の基板上に導電性の材料を用いて配線を形成し、前記配線の先端部を除いて非導電性物質を用いて前記配線を被覆し、前記配線の先端部に導電性弾性部材を配設して、該導電性弾性部材と測定対象とを電気的に接続可能であることを要旨とする電圧測定装置である。
【０００９】
また本発明は、上記電圧測定装置を備え、該電圧測定装置の導電性弾性部材の各々が燃料電池スタックを構成する各セルのアノードまたはカソードの一方のセパレータに押圧されていることを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による電圧測定装置によれば、基板に形成された配線の先端部の導電性弾性部材を測定対象に押圧させるだけで測定対象と電気的接続が確立するので、燃料電池スタックのような積層体の積層面内に少々に位置ずれがあっても、導電性弾性部材の弾力によりこの位置ずれによる凹凸を吸収し、積層面と垂直方向の接続面に容易に接続することができるという効果がある。
【００１１】
本発明による燃料電池によれば、燃料電池に上記電圧測定装置を備え、該電圧測定装置の導電性弾性部材の各々が燃料電池スタックを構成する各セルのアノードまたはカソードの一方のセパレータに押圧することにより、容易に電圧測定装置を燃料電池スタックに接続することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る電圧測定装置及びこれを備えた燃料電池の実施例を、図１から図５を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る電圧測定装置の実施例１を示す平面図及び断面図である。図２は、実施例１の電圧測定装置を備えた燃料電池の模式断面図である。図３は、本発明に係る電圧測定装置の実施例２、３を示す平面図である。図４（ａ）は、本発明に係る電圧測定装置の実施例４を示す平面図、図４（ｂ）は、実施例４における導電部材のパターン例を示す分解図である。図５は、本発明に係る燃料電池の他の実施例を示す模式断面図である。
【実施例１】
【００１４】
図１に示す実施例１の電圧測定装置１は、絶縁基板２と、絶縁基板２上に線状に配線として形成された導電性部材３と、導電性部材３の配線の先端部を除いて配線を被覆する絶縁部材４と、導電性部材の先端部に配設された導電性弾性部材５からなる。尚、絶縁基板２上の導電性部材３の先端部と反対側の端部には、外部配線６が鑞付け、または電気溶接、導電性接着剤等により接続されている。外部配線６は、電圧計等の電圧測定機器に接続するための配線である。
【００１５】
絶縁基板２は、例えばポリイミドやポリカーボネイトなどの絶縁性の膜、または紙基材フェノール樹脂、ガラス布基材エポキシ樹脂等の絶縁性板材からなる。この絶縁基板２上に、銅、銀等の導電性部材３を線状に塗布、貼付、メッキ、または蒸着して配線を形成する。この導電性部材３の先端部を除いて絶縁部材４を塗布、貼付、メッキ、または蒸着する。
【００１６】
また、絶縁基板２上に導電性部材３の配線を形成するには、周知のプリント配線板の技術を使用してもよい。この場合、プリント配線板に、前記配線に接続するコネクタを搭載し、該コネクタに嵌合する第２のコネクタで外部配線を前記プリント配線基板に着脱可能に接続すると更に好ましい。
【００１７】
導電性部材３の先端部には、電気導電性と弾性とを有する導電性弾性部材５により接点部が形成されている。導電性弾性部材５は、カーボンフェルト、金属粒子、もしくはカーボン粒子等の導電性粒子を混ぜた導電性ゴム、またはこれらの導電性粒子を混ぜた導電性プラスチック、または金属のバネからなる。
【００１８】
図２は、図１に示した電圧測定装置を備えた燃料電池の概要を説明する要部断面図である。
【００１９】
図２において、燃料電池積層体（燃料電池スタック）８は、多数の単位燃料電池（セル）７を積層した両端部に、それぞれ集電板９，１０、及びその外側にエンドプレート１１，１２を配置して、この積層体全体を図示しない締め付け部材により積層方向に圧力を加えている。単位燃料電池７は、固体高分子電解質を用いた電解質膜の両面に、アノード側電極及びカソード側電極を形成した膜電極接合体７ｂと、この膜電極接合体の外側にそれぞれ図示しないアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を配設し、さらにその外側にアノードセパレータ７ａと、カソードセパレータ７ｃとを積層したものである。
【００２０】
アノードセパレータ７ａは、当該単位燃料電池７のアノードに水素を含有するアノードガスを供給する図示しないガス供給溝を備えているとともに、アノード側電極の電位を隣接する単位燃料電池７のカソードセパレータ７ｃ（スタック端部の単位燃料電池の場合は集電板１０）に伝えるように導電性を有している。
【００２１】
カソードセパレータ７ｃは、当該単位燃料電池７のカソードに酸素を含有するカソードガスを供給する図示しないガス供給溝を備えているとともに、カソード側電極の電位を隣接する単位燃料電池７のアノードセパレータ７ａ（スタック端部の単位燃料電池の場合は集電板９）に伝えるように導電性を有している。
【００２２】
このような燃料電池積層体８の積層面とは垂直な面（以下積層体側面と呼ぶ）には、各単位燃料電池７のアノードセパレータ７ａ、カソードセパレータ７ｃの側面が露出している。この積層体側面に、実施例１の電圧測定装置１を図示しない取付具により押圧しながら取り付ける。
【００２３】
図２に示した状態は、単位燃料電池７のアノードセパレータ７ａの電位と、同カソードセパレータ７ｃの電位との電位差を検出する電圧測定装置１を示している。燃料電池積層体８の測定対象となるセパレータ積層面に、電圧測定装置１が押圧されることにより電気的に接続される。
【００２４】
電圧測定装置１は、２つの導電性弾性部材５，５’と、これらにそれぞれ接続する導電性部材３，３’と、さらに導電性部材３，３’にそれぞれ接続する外部配線６，６’を備えている。
【００２５】
導電性弾性部材５は、アノードセパレータ７ａに隣接する（図中上方）の単位燃料電池７’のカソードセパレータ７ｃ’に接続している。導電性弾性部材５が接続する範囲は、アノードセパレータ７ａからカソードセパレータ７ｃ’の範囲であればよい。尚、膜電極接合体７ｂ、７ｂ’、７ｂ”のそれぞれの側面は、絶縁性であり、導電性弾性部材５，５’が接触しても問題はない。
【００２６】
導電性弾性部材５’は、カソードセパレータ７ｃに隣接する（図中下方）の単位燃料電池７”のアノードセパレータ７ａ”に接続している。導電性弾性部材５’が接続する範囲は、カソードセパレータ７ｃからアノードセパレータ７ａ”の範囲であればよい。
【００２７】
本実施例によれば、燃料電池積層体８に電圧測定装置１の導電性弾性部材５、５’が押圧されて接続していることにより、燃料電池積層体８の電圧測定装置１の取付面に少々の凹凸があっても、また燃料電池積層体８を構成する部材が伸縮しても、導電性弾性部材５、５’の変形により測定対象のセパレータからずれること防ぐことができるという効果がある。
【００２８】
また、電圧測定装置１を図２のように燃料電池積層体８の側面にあてることで燃料電池に配線できるため、セパレータへの端子の取り付けは容易であり、また電圧測定装置を小型化できるという効果がある。
【実施例２】
【００２９】
次に、本発明に係る電圧測定装置の実施例２を説明する。図１、２に示した実施例１は測定端子を一対備えた実施例であったが、本実施例２は、図３（ａ）に示すように、複数の測定端子対を一つの絶縁基板上に形成した電圧測定装置の例を示すものである。尚、電圧測定装置を構成する各部材、及び測定対象の燃料電池積層体の構造は、図１，２に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、本実施例の電圧測定装置は、一つの絶縁基板２上に、複数（図示は３対）の測定端子対２１及び２２，２３及び２４，２５及び２６を並列に配列して形成している。これにより、一つの電圧測定装置を用いて、測定対象の複数の単位燃料電池毎に、両セパレータ間の電位差Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３をそれぞれ測定することができる。
【００３１】
本実施例によれば、複数の単位燃料電池の電圧を測定する場合でも、複数対の端子が一つの絶縁基板上に作成されて一体化されているため、電圧測定装置取付の作業性が良く、また配線を束ねたりする必要もないので、電圧測定装置を小型化できる。
【実施例３】
【００３２】
次に、図３（ｂ）を参照して、本発明に係る電圧測定装置の実施例３を説明する。実施例３の電圧測定装置は、図３（ｂ）に示すように、一方の集電板（図２の９または１０相当）と、各単位電池との電位差を測定するように、測定端子対２１及び３１，２２及び３２，２３及び３３を一つの絶縁基板２上に形成したものである。その他の構成は、実施例２と同様である。本実施例では、各端子対に現れる電圧は、スタックの総電圧をＶとすると、Ｖ、Ｖ−Ｖ１，Ｖ−Ｖ１−Ｖ２、…となり、その差分から測定対象の各単位燃料電池の電圧、Ｖ１，Ｖ２，…を算出することができる。
【００３３】
本実施例によれば、絶縁基板２上に並列して複数の端子対が作成されるため、配線を束ねる、固定する等の必要がなく、電圧測定装置の厚みを削減でき、また線と比較し集積度を上げることができるため、限られた面積で多数配線でき、電圧測定装置を小型化できるという効果がある。
【実施例４】
【００３４】
図４（ａ）は、本発明に係る電圧測定装置の実施例４を説明する平面図、図４（ｂ）は、実施例４における導電部材のパターン図である。本実施例は、絶縁基板上の導電性部材の配線パターンを蛇行させた実施例である。その他の構成は、図３（ａ）に示した実施例２と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３５】
図４（ｂ）に示すように、導電性部材３の配線パターンを蛇行させることで、電圧測定装置１の周囲温度が変化したり、外力が加わって電圧測定装置１が伸縮しても、導電性部材３の伸縮はその蛇行部により吸収される。従って、絶縁基板２と導電性部材３との間に働く応力が低減され、絶縁基板２から導電性部材３が剥離することや断線の虞を低下させることができる。
【００３６】
本実施例によれば、絶縁基板上の導電性部材による配線が蛇行しているので、温度変化や外力により絶縁基板や導電性部材が変形しても、導電性部材の配線の蛇行部で変形を吸収することができるので、絶縁基板からの導電性部材の剥離や導電性部材の断線の虞を抑制し、信頼性の高い電圧測定装置を提供することができるという効果がある。
【実施例５】
【００３７】
図５は、本発明に係る燃料電池の他の実施例を説明する模式断面図である。図５において、燃料電池積層体８の構成は、スタック側面絶縁部材１３が追加されていることを除けば、図２に示した燃料電池積層体８の構造と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３８】
本実施例は、特に限定されないが、２つの直列接続された単位燃料電池７、７の電圧を測定するための電圧測定装置４１を備えた燃料電池の実施例を示す。
【００３９】
燃料電池積層体８の側面には、２つの単位燃料電池毎に、互いに隣接するカソードセパレータ７ｃとアノードセパレータ７ａの対の側面が、一対置きに、スタック側面絶縁部材１３の貼付により絶縁されている。スタック側面絶縁部材１３の材料としては、例えば、薄いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂のシートなどを用いることができる。
【００４０】
尚、スタック側面絶縁部材１３は、一対置きに、隣接するアノードセパレータ７ａとカソードセパレータ７ｃの対を覆うように、複数の短冊状シートにより燃料電池積層体８の側面を絶縁するようにしてもよいが、１枚のシートに、電圧測定装置４１の導電性弾性部材５に対向する領域だけ孔を開けて使用することもできる。
【００４１】
本実施例によれば、各単位燃料電池のアノード、もしくはカソードどちらか一方のセパレータの電圧測定装置に対向する面が、絶縁材により絶縁されているため、電圧測定装置と燃料電池積層体との相互位置がずれても、電圧測定装置の導電性弾性部材によるアノードとカソードとの短絡を防止し、信頼性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）本発明に係る電圧測定装置の構成を説明する平面図、（ｂ）同断面図である。
【図２】実施例１の電圧測定装置を備えた燃料電池の模式断面図である。
【図３】（ａ）本発明に係る電圧測定装置の実施例２を説明する平面図、（ｂ）本発明に係る電圧測定装置の実施例３を説明する平面図である。
【図４】（ａ）本発明に係る電圧測定装置の実施例４を説明する平面図、（ｂ）実施例４の導電性部材の配線パターン例を示す平面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の他の実施例を説明する模式断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…電圧測定装置
２…絶縁基板
３…導電性部材
４…絶縁部材
５…導電性弾性部材
６…外部配線
７…単位燃料電池
８…燃料電池積層体
【図１】
2006004737.tif 000003
【図２】
2006004737.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006004737.tif 000007